Номер 6, страница 130 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

6. На каких физических явлениях основан принцип солнечных полупроводниковых батарей?

5. Где применяется фотоэффект?

Фотоэффект — явление взаимодействия света с веществом, при котором энергия фотонов передается электронам, — лежит в основе работы многих современных устройств. Различают внешний фотоэффект (электроны покидают вещество) и внутренний фотоэффект (электроны изменяют свое энергетическое состояние, оставаясь внутри вещества). Основные области применения:
— Фотоэлементы и датчики света: Это устройства, преобразующие световую энергию в электрический сигнал. Они используются в системах автоматики (например, для автоматического управления уличным освещением), в турникетах метро, в охранных системах. На основе фотоэффекта работают датчики дыма, фотометры для измерения интенсивности света.
— Солнечные батареи: Являются одним из важнейших применений внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Они напрямую преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию, служа возобновляемым источником тока.
— Цифровые камеры и сканеры: Сердцем этих устройств являются светочувствительные матрицы (ПЗС или КМОП), состоящие из миллионов пикселей. Каждый пиксель — это микроскопический фотодиод, где под действием света за счет внутреннего фотоэффекта генерируется электрический заряд, пропорциональный яркости света. Совокупность зарядов со всех пикселей формирует цифровое изображение.
— Фотоэлектронные умножители (ФЭУ): Используют внешний фотоэффект для регистрации чрезвычайно слабых световых сигналов. Выбитый светом электрон ускоряется и, ударяясь о специальные электроды (диноды), вызывает эмиссию все большего числа вторичных электронов. Это создает лавинный эффект, многократно усиливающий первоначальный сигнал. ФЭУ незаменимы в ядерной физике, астрономии, медицине.
— Воспроизведение звука с кинопленки: В классической технологии звукового кино свет пропускался через оптическую звуковую дорожку на пленке. Изменения ее прозрачности модулировали световой поток, который улавливался фотоэлементом. Фотоэлемент преобразовывал эти колебания света в электрический сигнал, который затем усиливался и воспроизводился как звук.
— Фотоэлектронная спектроскопия: Это аналитический метод, использующий внешний фотоэффект для определения элементного состава и химического состояния поверхности материала. Анализируя энергию выбитых светом электронов, можно получить информацию об электронном строении вещества.

Ответ: Фотоэффект применяется в фотоэлементах и датчиках света, солнечных батареях, матрицах цифровых камер, фотоэлектронных умножителях для регистрации слабых сигналов, в системах воспроизведения оптической звукозаписи и в научных методах анализа вещества.

6. На каких физических явлениях основан принцип солнечных полупроводниковых батарей?

Принцип работы солнечной полупроводниковой батареи (фотоэлемента) основан на преобразовании световой энергии в электрическую, которое происходит в специальной полупроводниковой структуре — p-n переходе. Этот процесс включает в себя два ключевых физических явления:

1. Внутренний фотоэффект в полупроводнике.
Когда фотон солнечного света с энергией $h\nu$, достаточной для преодоления ширины запрещенной зоны полупроводника $E_g$ (т.е. $h\nu \ge E_g$), поглощается в материале, он выбивает электрон из ковалентной связи. В результате в полупроводнике одновременно рождается пара свободных носителей заряда: отрицательно заряженный электрон проводимости и положительно заряженная «дырка» (вакантное место в ковалентной связи). Этот процесс генерации электронно-дырочных пар под действием света называется внутренним фотоэффектом. В отличие от внешнего фотоэффекта, носители заряда не покидают кристалл.

2. Разделение носителей заряда электрическим полем p-n перехода.
P-n переход — это область контакта двух полупроводников с разным типом проводимости: p-типа (дырочная) и n-типа (электронная). При их контакте из-за диффузии электронов и дырок навстречу друг другу образуется обедненный слой, в котором возникает встроенное электрическое поле. Это поле направлено от n-области к p-области и действует как своего рода барьер. Когда электронно-дырочная пара генерируется в области действия этого поля (или вблизи нее), поле разделяет носители заряда: оно «сталкивает» электрон в n-область, а дырку — в p-область.

Благодаря этому разделению на n-стороне фотоэлемента накапливается избыточный отрицательный заряд, а на p-стороне — избыточный положительный. Это создает разность потенциалов (напряжение) между выводами элемента, называемую фото-ЭДС. Если к выводам подключить внешнюю нагрузку, по цепи потечет электрический ток, обусловленный движением электронов от n-области к p-области через внешнюю цепь.

Ответ: Принцип действия солнечных батарей основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике (генерация пар носителей заряда «электрон-дырка» под действием света) и последующем разделении этих пар внутренним электрическим полем p-n перехода.